低品位低熱能膨脹螺桿動(dòng)力機(jī)發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用

齊楠楠

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司邯寶設(shè)備動(dòng)力部，河北邯鄲 056015）

1 前言

近年來，節(jié)能減排已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，鋼鐵行業(yè)是能源消耗大戶，隨著全球能源的日益緊張，資源、能源和環(huán)保對(duì)鋼鐵行業(yè)提出越來越嚴(yán)格的要求。開發(fā)、應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)是鋼鐵企業(yè)降低能耗、發(fā)展低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)的主要途徑之一。針對(duì)一些以蒸汽、汽水混合物形式存在的低品位能源直接排放不但浪費(fèi)了能源也對(duì)環(huán)境造成了負(fù)面影響，而這些低品位能源如果利用汽輪機(jī)來發(fā)電是不經(jīng)濟(jì)的，本文主要介紹了利用膨脹螺桿機(jī)回收邯鋼西區(qū)自備電廠3臺(tái)鍋爐汽包連排水的余熱發(fā)電技術(shù)，最大能力提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能效果。

2 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)的工作原理及特點(diǎn)

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)是一種低品位熱能動(dòng)力機(jī)，它能夠回收低品位熱能并直接轉(zhuǎn)換為電能，是一種在當(dāng)前能源利用領(lǐng)域具有重大突破性的新型動(dòng)力機(jī)。

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)基本構(gòu)造是由一對(duì)螺旋轉(zhuǎn)子和機(jī)殼組成的動(dòng)力機(jī)。流體進(jìn)入螺桿齒槽，壓力推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽容積增加，流體降壓膨脹作功，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。具體的工作原理參見圖1，蒸汽、熱液或汽液兩相流體先進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽A，推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽A旋轉(zhuǎn)到B、C、D逐漸加長，容積增大，流體降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽E排出，供生產(chǎn)用熱或循環(huán)再加熱做功。

圖1 螺桿機(jī)工作過程簡圖

功率從主軸陽螺桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

螺桿膨脹機(jī)工作可分為三個(gè)過程：

進(jìn)氣過程：高壓介質(zhì)經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入轉(zhuǎn)子的齒間容積后，將推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并使齒間容積不斷擴(kuò)大，當(dāng)齒間容積完全與進(jìn)氣口脫離時(shí)，進(jìn)氣過程結(jié)束。

膨脹過程：隨著齒間容積繼續(xù)增大，高壓介質(zhì)體積膨脹溫度降低，同時(shí)輸出動(dòng)力到轉(zhuǎn)子的伸出軸處。

排氣過程：當(dāng)齒間容積與排氣口相通時(shí)，便開始排氣過程，直至齒間容積減少為零，完成一個(gè)工作循環(huán)為止。

3 螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)在邯鋼的應(yīng)用實(shí)例

邯鋼西區(qū)能源中心自備電廠熱力系統(tǒng)見圖2。

圖2 螺桿發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)圖

邯鋼西區(qū)能源中心自備電廠為3臺(tái)60MW發(fā)電機(jī)組組成，配套有3臺(tái)NG-260/9.8-Q型燃?xì)忮仩t，每臺(tái)鍋爐產(chǎn)蒸汽量為260 t/h，正常運(yùn)行情況下為了保證鍋爐爐的汽水品質(zhì)，每臺(tái)鍋爐汽包需要連續(xù)排污12 t/h的連排水，連排水的的溫度可達(dá)到400℃，壓力為9.8 MPa。為了充分回收利用低品質(zhì)能源，利用膨脹螺桿動(dòng)力機(jī)對(duì)自備電廠3臺(tái)×260t/h鍋爐連排水的余熱進(jìn)行回收。該機(jī)組裝機(jī)容量為700 kWh，設(shè)計(jì)額定發(fā)電量為620 kWh。投運(yùn)后年可發(fā)電450萬kWh,可使熱電廠鍋爐汽包連續(xù)排出的高溫水全部得到回收利用達(dá)到蒸汽零排放的目標(biāo)，并且螺桿機(jī)做功完后的連排水又進(jìn)入電廠脫鹽水站的循環(huán)水池，一可實(shí)現(xiàn)水的再循環(huán)利用，年節(jié)約優(yōu)質(zhì)水量達(dá)40萬t。二可調(diào)節(jié)循環(huán)水的水質(zhì)，達(dá)到異曲同工之效。由此產(chǎn)生的電能還能提高邯鋼的自發(fā)電率，是節(jié)能減排型資源循環(huán)型經(jīng)濟(jì)的重要體現(xiàn)。

由于邯鋼西區(qū)自備電廠三臺(tái)鍋爐平等排列并且距離較近，為了節(jié)約投資并使用發(fā)電效率最大化，選用了一臺(tái)膨脹螺桿動(dòng)力發(fā)電機(jī)組來配套三臺(tái)鍋爐回收汽包連排水的余熱，在鍋爐連排水管道上取汽，匯總后降壓進(jìn)入螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在原管路上新增快速切換閥，當(dāng)螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)正常工作時(shí)，鍋爐連排水全部供螺桿機(jī)發(fā)電，當(dāng)螺桿機(jī)不能工作時(shí)，快速切換閥立即打開，鍋爐連排水走原管路。

4 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算與分析

邯鋼自備電廠鍋爐連排水壓為9.1～10.1 MPa、飽和溫度、流量G＝36 t/h，連排水經(jīng)過自動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥后進(jìn)汽壓力：P1＝0.70 MPa，進(jìn)汽溫度：t1＝165℃，經(jīng)膨脹螺桿動(dòng)力機(jī)做功以后排汽壓力：P2＝0.14 MPa，排汽溫度：t2＝ 109℃。

通過試驗(yàn)得知：蒸汽在膨脹螺桿機(jī)內(nèi)的流動(dòng)損失 η＝0.686、η機(jī)械＝0.93、η電機(jī)＝0.94。

通過查詢焓熵表得知：

壓力為9.5 MPa對(duì)應(yīng)的水焓為:h1′＝1386.1 kj/kg，水熵 s1′＝3.3242 kj/kgk

壓力為 0.70 MPa 對(duì)應(yīng)的汽焓 h2″＝2762 kj/kg，汽熵 s2″＝6.7052 kj/kgk

壓力為 0.70 MPa 對(duì)應(yīng)的水焓 h2′＝697.1 kj/kg，水熵 s2′＝1.9918 kj/kgk

壓力為0.14 MPa對(duì)應(yīng)的汽焓h3″＝2690.3 kj/kg，汽熵 s3″＝ 7.2465 kj/kgk

壓力為 0.14 MPa 對(duì)應(yīng)的水焓 h3′＝458.4 kj/kg，水熵s3′＝1.4109 kj/kgk

因減壓過程是等焓過程，由此可推算出理論干度x1及進(jìn)汽熵s2

h1'＝ h2″x1+(1-x1)h2′

因此：x1＝（h1'-h2′）/（h2″-h2′）

＝（1386.1-697.1）/（2762-697.1）＝0.3337

s2＝s2″x1+s2′（1-x1）

＝6.7052×0.3337+1.9918×（1-0.3337）

＝3.56466 kj/kgk

因螺桿機(jī)做功過程是等熵過程由此可推算出理論排汽干度x2及理論排汽焓h2。

s2=s3″x2+s3′（1-x2）

因此x2=（s2-s3′）/（s3″-s3′）

=（3.5647-1.4109）/（7.2465-1.4109）=0.3691

h2=h3″x+s3'(1-x2)

=2690.3×0.3691+458.4×(1-0.3691)=1282.2 kj/kg

蒸汽的理論焓降Δh=h1'-h2=1386.1-1282.2

=103.9 kj/kg

蒸汽的實(shí)際焓降 Δh2=Δh1Xη=103.9×0.686

=71.2754 kj/kg

發(fā)電功率 P=（GΔh2/3.6）η機(jī)械η電機(jī)

=（36×71.2754/3.6）×0.93×0.94=623kW

按照每度電0.56元計(jì)算，發(fā)電機(jī)組每年運(yùn)行8000 h計(jì)算。

全年發(fā)電效益=623kW×8000h×0.5元/kWh

=279萬元

5 結(jié)論

螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)在邯鋼應(yīng)用以后，年發(fā)電量約為498萬kWh，年發(fā)電量折合標(biāo)煤約為1867 t，（折算系數(shù)取0.35 kg/kWh），每年可減少CO 排放量約4436 t/a，（折算系統(tǒng)取0.8316 kg/kWh）。不但增加了邯鋼的自發(fā)電量，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了積極的作用，具有良好的社會(huì)效益。